JP2017055589A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入出力を絶縁しつつ変圧する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that performs transformation while insulating input and output.
絶縁と昇圧を1ステージで行うことができる高効率・低コストなDC−DCコンバータの回路トポロジーとして、絶縁型昇圧コンバータ(isolated boost converter)が知られている。絶縁型昇圧コンバータは一次側において、直流電源とインバータ回路の間にリアクトルを挿入し、インバータ回路に導通期間を設ける。この導通期間にリアクトルにエネルギーが蓄えられ、インバータ回路が相補動作に戻ると、そのエネルギーが放出され、トランスの一次側に昇圧された電圧が伝達される。 An isolated boost converter is known as a high-efficiency and low-cost DC-DC converter circuit topology capable of performing isolation and boosting in one stage. In the isolated boost converter, on the primary side, a reactor is inserted between the DC power supply and the inverter circuit to provide a conduction period for the inverter circuit. When energy is stored in the reactor during this conduction period and the inverter circuit returns to the complementary operation, the energy is released and the boosted voltage is transmitted to the primary side of the transformer.
二次側に接続された負荷の取り外しや電源オフ等により、無負荷または軽負荷状態に遷移すると出力電流が急激に低下し、サージ電圧が発生する。特に絶縁型昇圧コンバータのような電流型絶縁コンバータにおいては、高周波トランスの漏れインダクタンスや一次側リアクトルに残存していた磁気エネルギーの放出により、スイッチング素子両端に大きなサージ電圧が発生する。これらに起因するサージ電圧の対策として、一次側にスナバ回路を設けることが考えられる(例えば、特許文献1参照)。 When the load connected to the secondary side is removed, the power is turned off, or the like, the output current is suddenly lowered and a surge voltage is generated when a transition is made to a no load or light load state. In particular, in a current type isolated converter such as an isolated step-up converter, a large surge voltage is generated at both ends of the switching element due to leakage inductance of a high frequency transformer and release of magnetic energy remaining in the primary side reactor. As a countermeasure against the surge voltage caused by these, it is conceivable to provide a snubber circuit on the primary side (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、負荷の急激な変動(例えば、全負荷のオン/オフ)が短期間に頻繁に発生する場合、スナバ回路だけでは、繰り返し発生するサージ電圧を十分に吸収できない場合がある。サージ電圧を十分に吸収できない場合、インバータ回路を構成するスイッチング素子(例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))に耐圧オーバーが発生し、素子に不具合が発生する恐れがある。 However, when rapid load fluctuations (for example, full load on / off) frequently occur in a short time, the snubber circuit alone may not sufficiently absorb the surge voltage that occurs repeatedly. If the surge voltage cannot be sufficiently absorbed, a switching element (for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) that constitutes the inverter circuit may have a breakdown voltage, and the element may malfunction.
ところでDC−DCコンバータでは、起動時に発生する突入電流を抑制する必要がある。突入電流を抑制するために、負荷と並列に接続された二次側のコンデンサをプリチャージ回路でプリチャージする方法が考えられるが(例えば、特許文献2参照)、プリチャージ回路を別途に設ける必要があり、回路面積およびコストが増大する。 By the way, in a DC-DC converter, it is necessary to suppress the inrush current which generate | occur | produces at the time of starting. In order to suppress the inrush current, a method of precharging a secondary capacitor connected in parallel with the load with a precharge circuit is conceivable (see, for example, Patent Document 2), but it is necessary to provide a precharge circuit separately. Circuit area and cost increase.
本発明者は絶縁型昇圧コンバータにおいて、簡単な回路を追加することにより、サージ電圧からの素子保護と起動時の突入電流の抑制に寄与する回路構成を見出すに至った。 The present inventor has found a circuit configuration that contributes to element protection from surge voltage and suppression of inrush current at start-up by adding a simple circuit to the isolated boost converter.
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、入出力を絶縁しつつ変圧する電力変換装置であって、回路規模を抑制しつつ素子保護が強化された電力変換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a power conversion device that transforms while insulating input / output, and provides a power conversion device with enhanced element protection while suppressing the circuit scale. There is.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、直流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルを介して入力される直流電圧を昇圧しつつ交流電圧に変換する第1インバータ回路と、一次側に設けられた前記第1インバータ回路の出力電力を二次側に伝達するトランスと、前記トランスの二次側に設けられ、前記第1インバータ回路から出力される交流電力を直流電力に変換する第2インバータ回路と、前記リアクトルの両端を短絡させるための短絡スイッチと、を備える。 In order to solve the above-described problems, a power converter according to an aspect of the present invention includes a reactor connected to a DC power supply, and a first inverter that converts a DC voltage input through the reactor into an AC voltage while boosting the DC voltage. A circuit, a transformer for transmitting the output power of the first inverter circuit provided on the primary side to the secondary side, and an AC power provided on the secondary side of the transformer and output from the first inverter circuit for direct current A second inverter circuit for converting to electric power, and a short-circuit switch for short-circuiting both ends of the reactor.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、入出力を絶縁しつつ変圧する電力変換装置であって、回路規模を抑制しつつ素子保護が強化された電力変換装置を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is a power converter device which transforms, isolating input / output, Comprising: The power converter device with which element protection was strengthened, suppressing a circuit scale is realizable.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置20の構成を説明するための図である。実施の形態1に係る電力変換装置20は、直流電源10から供給される直流電力をDC−DC変換して直流負荷30に供給する単方向の絶縁型DC−DCコンバータである。直流電源10は例えば、蓄電池、太陽電池、燃料電池などが該当する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a
直流電源10と並列に第1平滑コンデンサC1が接続される。第1平滑コンデンサC1には例えば、電解コンデンサが使用される。直流電源10と直列にリアクトルL1が接続される。インバータ回路22はリアクトルL1を介して直流電源10と接続される。インバータ回路22は、リアクトルL1から入力される直流電力を交流電力に変換する。
A first smoothing capacitor C1 is connected in parallel with the
本実施の形態ではインバータ回路22は、第1スイッチング素子Q11と第2スイッチング素子Q12が直列接続された第1レグと、第3スイッチング素子Q13と第4スイッチング素子Q14が直列接続された第2レグが並列接続されたフルブリッジ回路で構成される。第1レグの中点と第2レグの中点が、高周波トランスTの一次巻線の両端にそれぞれ接続される。
In the present embodiment, the
第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14には例えば、IGBTを使用できる。第1スイッチング素子Q11のコレクタ端子および第3スイッチング素子Q13のコレクタ端子は、リアクトルL1を介して直流電源10の正極に接続される。第2スイッチング素子Q12のエミッタ端子および第4スイッチング素子Q14のエミッタ端子は、直流電源10の負極に接続される。第1スイッチング素子Q11のエミッタ端子と第2スイッチング素子Q12のコレクタ端子が接続され、第3スイッチング素子Q13のエミッタ端子と第4スイッチング素子Q14のコレクタ端子が接続される。
For example, IGBTs can be used for the first switching element Q11 to the fourth switching element Q14. The collector terminal of the first switching element Q11 and the collector terminal of the third switching element Q13 are connected to the positive electrode of the
第1還流ダイオードD11〜第4還流ダイオードD14は、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14にそれぞれ並列に、逆向きに接続される。なお第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14にMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用する場合、第1還流ダイオードD11〜第4還流ダイオードD14は、ソースからドレイン方向に形成される寄生ダイオードを利用できる。 The first free-wheeling diode D11 to the fourth free-wheeling diode D14 are connected in reverse to the first switching element Q11 to the fourth switching element Q14, respectively. When MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) are used for the first switching element Q11 to the fourth switching element Q14, the first free-wheeling diode D11 to the fourth free-wheeling diode D14 are formed in the direction from the source to the drain. A parasitic diode can be used.
高周波トランスTは、一次巻線に接続されるインバータ回路22の出力電圧を、一次巻線と二次巻線の巻数比に応じて変換し、二次巻線に接続される整流回路23に出力する。整流回路23は、高周波トランスTを介して入力されるインバータ回路22の出力電力を整流して直流負荷30に供給する。整流回路23は例えば、ダイオードブリッジ回路で構成できる。図1に示す例では、高周波トランスTの二次巻線の一端が、第1整流ダイオードD15のアノード端子と第2整流ダイオードD16のカソード端子間のノードに接続され、二次巻線の他端が、第3整流ダイオードD17のアノード端子と第4整流ダイオードD18のカソード端子間のノードに接続される。
The high-frequency transformer T converts the output voltage of the
第1整流ダイオードD15のカソード端子および第3整流ダイオードD17のカソード端子が直流負荷30の正極端子に接続され、第2整流ダイオードD16のアノード端子および第4整流ダイオードD18のアノード端子が直流負荷30の負極端子に接続される。直流負荷30と並列に第2平滑コンデンサC3が接続される。第2平滑コンデンサC3には例えば、電解コンデンサが使用される。
The cathode terminal of the first rectifier diode D15 and the cathode terminal of the third rectifier diode D17 are connected to the positive terminal of the
電圧検出部24は、直流負荷30に出力される電圧(第2平滑コンデンサC3の両端電圧)を検出して制御部25に出力する。電圧検出部24には例えば、差動増幅器を使用できる。
The
制御部25は電力変換装置20全体を制御する。制御部25の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
The
制御部25は、電力変換装置20の出力電圧が目標電圧を維持するようインバータ回路22を駆動する。具体的には制御部25は、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14の駆動信号としてPWM信号を生成し、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14のゲート端子に供給する。制御部25はPWM信号のデューティ比を上げることにより電力変換装置20の出力電圧を上げることができ、PWM信号のデューティ比を下げることにより電力変換装置20の出力電圧を下げることができる。制御部25は、電圧検出部24で検出された出力電圧と目標電圧を比較して、検出された出力電圧が目標電圧より低い場合はデューティ比を上げ、検出された出力電圧が目標電圧より高い場合はデューティ比を下げる。
The
サージ電圧を吸収するために一次側にスナバ回路が設けられる。図1に示す例では、RCDスナバ回路がインバータ回路22の入力側に接続される。具体的には、インバータ回路22の正極入力端子と負極入力端子間に、スナバダイオードD3及びスナバコンデンサC2が直列に接続される。スナバダイオードD3のアノード端子はインバータ回路22の正極入力端子に接続され、スナバダイオードD3のカソード端子はスナバコンデンサC2の一端に接続され、スナバコンデンサC2の他端はインバータ回路22の負極入力端子に接続される。スナバダイオードD3とスナバコンデンサC2間のノードは、抵抗R1を介して直流電源10の正極端子に接続される。抵抗R1はスナバコンデンサC2に蓄積されたエネルギーを消費する。
A snubber circuit is provided on the primary side to absorb the surge voltage. In the example shown in FIG. 1, an RCD snubber circuit is connected to the input side of the
第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14の通常のスイッチング動作で発生するサージ電圧は、スナバコンデンサC2で吸収可能である。しかしながら、直流負荷30が重い状態から軽い状態に急激に変化する場合、サージ電圧をスナバコンデンサC2で吸収しきれない場合が発生する。サージ電圧は主に、高周波トランスTの漏れインダクタンスLLに蓄積されているエネルギーと、リアクトルL1に蓄積されているエネルギーに起因して発生する。
The surge voltage generated in the normal switching operation of the first switching element Q11 to the fourth switching element Q14 can be absorbed by the snubber capacitor C2. However, when the
直流負荷30が最大負荷で動作している場合、リアクトルL1には定格電流が流れており、大きなエネルギーが蓄積される。その状態から直流負荷30の取り外しや直流負荷30の電源オフにより無負荷状態に遷移するとリアクトルL1から大きな直流電流が流れる。このリアクトルL1からの直流電流と漏れインダクタンスLLからの直流電流をスナバコンデンサC2で全て吸収するには、大容量のコンデンサが必要になる。その場合、回路面積およびコストが増大する。
When the
このサージ電圧対策として本実施の形態では、リアクトルL1の両端を短絡させるための短絡スイッチ21を追加する。短絡スイッチ21がオン状態では、リアクトルL1と短絡スイッチ21により形成される閉ループを、リアクトルL1に蓄積された直流電流が還流し、閉ループ上の抵抗成分によりエネルギーが消費される。当該抵抗成分は閉ループ上の各素子および配線に含まれる抵抗成分である。
As a countermeasure against this surge voltage, in the present embodiment, a short-
短絡スイッチ21は、短絡経路上において、リアクトルL1の入力端子から出力端子への電流を阻止し、リアクトルL1の出力端子から入力端子への電流を、制御部25からの駆動信号に応じて導通または非導通する逆阻止型スイッチである。図1に示す例では短絡スイッチ21は、第5整流ダイオードD1と短絡用スイッチング素子Q1の直列回路で形成される。短絡用スイッチング素子Q1と並列に第1内蔵ダイオードD2が接続される。短絡用スイッチング素子Q1にIGBTが使用される場合、IGBTのエミッタからコレクタの方向に第1内蔵ダイオードD2が接続される。短絡用スイッチング素子Q1にMOSFETが使用される場合、第1内蔵ダイオードD2として、ソースからドレイン方向に形成される寄生ダイオードを利用できる。
Short-
図1に示す例では、リアクトルL1の入力端子に第5整流ダイオードD1のカソード端子が接続され、第5整流ダイオードD1のアノード端子が短絡用スイッチング素子Q1のエミッタ端子またはソース端子に接続され、短絡用スイッチング素子Q1のコレクタ端子またはドレイン端子がリアクトルL1の出力端子に接続される。なお後述する図4に示すように第5整流ダイオードD1と短絡用スイッチング素子Q1の順番が逆でもよい。 In the example shown in FIG. 1, the cathode terminal of the fifth rectifier diode D1 is connected to the input terminal of the reactor L1, the anode terminal of the fifth rectifier diode D1 is connected to the emitter terminal or the source terminal of the short-circuit switching element Q1, The collector terminal or drain terminal of switching element Q1 is connected to the output terminal of reactor L1. In addition, as shown in FIG. 4 described later, the order of the fifth rectifier diode D1 and the short-circuit switching element Q1 may be reversed.
図2は、図1の電力変換装置20の基本動作を説明するためのタイムチャートである。電力変換装置20の通常動作時、制御部25は、第1スイッチング素子Q11および第4スイッチング素子Q14と、第2スイッチング素子Q12および第3スイッチング素子Q13とを相補的に駆動する。その際、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14を全てオン状態に制御してリアクトルL1にエネルギーを蓄える期間Tcを設ける。次に第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14が相補動作に戻ると、直流電源10の電圧とリアクトルL1に蓄積された電圧が加算された電圧(昇圧電圧)が、高周波トランスTの一次巻線に印加される。通常動作時、制御部25は短絡用スイッチング素子Q1をオフ状態に制御する。
FIG. 2 is a time chart for explaining the basic operation of the
制御部25は、直流負荷30が所定値を下回ると電力変換装置20を休止状態に制御する。直流負荷30が所定値を下回ったか否かは、電圧検出部24で検出された電圧値が、負荷低下検出用の所定電圧値を超えたか否かにより判定できる。なお直流負荷30への出力電流を検出する電流検出部(不図示)を設け、検出された電流が負荷低下検出用の所定電流値を超えたか否かにより判定してもよい。
When the
休止状態では制御部25は、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14を全てオフ状態に制御し、短絡用スイッチング素子Q1をオン状態に制御する。これによりリアクトルL1が短絡され、リアクトルL1に流れていた電流が短絡スイッチ21に流れ、リアクトルL1に残存していた磁気エネルギーが、リアクトルL1と短絡スイッチ21により形成される閉ループ内で消費される。従って、リアクトルL1から流れる電流に起因するサージ電圧が吸収される。高周波トランスTの漏れインダクタンスから流れる電流に起因するサージ電圧はスナバコンデンサC2で吸収される。従って第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14がサージ電圧から保護される。
In the resting state, the
図3は、図1の電力変換装置20の起動時の動作を説明するためのタイムチャートである。電力変換装置20の起動時において、制御部25短絡用スイッチング素子Q1をオン状態に制御し、第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14のデューティ比を第2平滑コンデンサC3の電圧上昇に応じてゼロから徐々に上げていく。第2平滑コンデンサC3の電圧が設定電圧値Vthを超えると制御部25は、短絡用スイッチング素子Q1をターンオフする。
FIG. 3 is a time chart for explaining the operation at the time of startup of the
設定電圧値Vthは、直流電源10から第2平滑コンデンサC3への突入電流が抑制される電圧値に設定される。第2平滑コンデンサC3を、一次側から高周波トランスTを介して印加される電圧に近い電圧までプリチャージしておけば、起動時の第2平滑コンデンサC3への突入電流を抑制できる。従って設定電圧値Vthは、直流電源10の電圧に高周波トランスTの巻数比(二次巻線の巻数/一次巻線の巻数)を掛けた電圧値より一定値低い値に設定される。当該一定値はごく小さな値であることが好ましい。
The set voltage value Vth is set to a voltage value at which an inrush current from the
このように第2平滑コンデンサC3の設定電圧値Vthまでのプリチャージが完了するまで短絡用スイッチング素子Q1をオン状態に制御してリアクトルL1を短絡させる。これによりリアクトルL1が無効になり、リアクトルL1とインバータ回路22による昇圧コンバータとしての作用がなくなり、当該昇圧コンバータから突入電流が流れることを防止できる。またインバータ回路22と高周波トランスTによる降圧コンバータとしての作用が発揮され、直流電源10の電圧より低い電圧から第2平滑コンデンサC3を充電できる。以上のように第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14のスイッチング動作だけで第2平滑コンデンサC3を緩やかにプリチャージできる(ソフトスタート)。
In this way, the short-circuiting switching element Q1 is controlled to be in an ON state until the precharge up to the set voltage value Vth of the second smoothing capacitor C3 is completed, and the reactor L1 is short-circuited. As a result, reactor L1 is disabled, the reactor L1 and
以上説明したように実施の形態1によれば、絶縁型昇圧コンバータにおいて、リアクトルL1を短絡するための短絡スイッチ21を設けることにより、負荷急変に起因するサージ電圧からインバータ回路22に含まれる第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14を保護することができる。第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14に耐圧が高いものを使用する必要がないため、回路面積およびコストの増大を抑制できる。
As described above, according to the first embodiment, in the isolated boost converter, by providing the short-
また短絡スイッチ21は起動時にリアクトルL1を無効化するためのスイッチを兼ねる。リアクトルL1を無効化することにより第2平滑コンデンサC3を緩やかにプリチャージでき、ソフトスタートを実現できる。リアクトルL1が有効な状態ではインバータ回路22および高周波トランスTを介して第2平滑コンデンサC3を緩やかにプリチャージすることは困難である。その場合、インバータ回路22および高周波トランスTを通過しない別のプリチャージ回路を別途に設ける必要があり、回路面積およびコストが増大する。
The short-
絶縁型昇圧コンバータは、一般的な昇圧チョッパとインバータ回路の組み合わせと比較して素子数を減らすことができる。従って本実施の形態によれば、絶縁作用、昇圧作用を有する電力変換装置であり、回路規模を抑制しつつ素子保護が強化された電力変換装置を実現できる。 The isolated boost converter can reduce the number of elements as compared with a general combination of a boost chopper and an inverter circuit. Therefore, according to the present embodiment, it is a power conversion device having an insulating action and a boosting action, and a power conversion device with enhanced element protection while suppressing the circuit scale can be realized.
(実施の形態2)
図4は、実施の形態2に係る電力変換装置20の構成を説明するための図である。実施の形態2に係る電力変換装置20は、絶縁型双方向DC−ACコンバータである。実施の形態1に係る電力変換装置20と比較して、直流負荷30がDC−ACコンバータ26と系統40に置き換わり、整流回路23がインバータ回路23aに置き換わっている。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the
二次側のインバータ回路23aは、一次側のインバータ回路22の構成と同じである。即ちインバータ回路23aは、第5スイッチング素子Q21と第6スイッチング素子Q22が直列接続された第1レグと、第7スイッチング素子Q23と第8スイッチング素子Q24が直列接続された第2レグが並列接続されたフルブリッジ回路で構成される。第5スイッチング素子Q21〜第8スイッチング素子Q24にはそれぞれ並列に、第5還流ダイオードD21〜第8還流ダイオードD24が逆向きに接続される。第1レグの中点と第2レグの中点が、高周波トランスTの二次巻線の両端にそれぞれ接続される。
The secondary-
図4では、一次側のスナバ回路をアクティブクランプ回路で構成している。具体的には、インバータ回路22の正極入力端子と負極入力端子間に、クランプ用スイッチング素子Q2及びスナバコンデンサC2が直列に接続される。クランプ用スイッチング素子Q2と並列に第2内蔵ダイオードD4が接続される。クランプ用スイッチング素子Q2にIGBTが使用される場合、IGBTのエミッタからコレクタの方向に第2内蔵ダイオードD4が接続される。クランプ用スイッチング素子Q2にMOSFETが使用される場合、第2内蔵ダイオードD4として、ソースからドレイン方向に形成される寄生ダイオードを利用できる。
In FIG. 4, the primary-side snubber circuit is composed of an active clamp circuit. Specifically, the clamping switching element Q2 and the snubber capacitor C2 are connected in series between the positive input terminal and the negative input terminal of the
クランプ用スイッチング素子Q2のエミッタ端子またはソース端子はインバータ回路22の正極入力端子に接続され、クランプ用スイッチング素子Q2のコレクタ端子またはドレイン端子はスナバコンデンサC2の一端に接続され、スナバコンデンサC2の他端はインバータ回路22の負極入力端子に接続される。制御部25は所定のタイミングでクランプ用スイッチング素子Q2をターンオンして、スナバコンデンサC2に充電されたエネルギーを電源ラインに放電する。図1に示したRCDスナバ回路と比較して、スナバコンデンサC2に吸収したエネルギーを消費せずに回生するため、エネルギーロスを減らすことができる。
The emitter or source terminal of the clamp switching element Q2 is connected to the positive input terminal of the
なお図1に示した電力変換装置20のスナバ回路をアクティブクランプ回路で構成してもよいし、図4に示す電力変換装置20のスナバ回路をRCDスナバ回路で構成してもよい。またそれぞれにおいて、別のタイプのスナバ回路を使用してもよい。
The snubber circuit of the
図4に示す短絡スイッチ21は、図1に示した短絡スイッチ21と比較して第5整流ダイオードD1と短絡用スイッチング素子Q1の順番が逆であるが、作用は同一である。
The short-
図4に示す電力変換装置20において、直流電源10から供給される直流電力を交流電力に変換して系統40に逆潮流する場合、制御部25はインバータ回路23aに含まれる第5スイッチング素子Q21〜第8スイッチング素子Q24を全てオフ状態に制御する。これによりインバータ回路23aは、図1に示したダイオードブリッジ回路で構成される整流回路23と同様の回路構成となる。DC−ACコンバータ26と系統40を図1に示した直流負荷30とみなすことにより、図1に示した電力変換装置20の処理の説明が、図4に示す電力変換装置20の処理にそのままあてはまる。なお系統40の代わりに交流負荷をDC−ACコンバータ26の交流側に接続してもよい。
In the
系統40から供給される交流電力を直流電力に変換して直流電源10としての蓄電池に充電する場合、制御部25はインバータ回路23aに含まれる第5スイッチング素子Q21〜第8スイッチング素子Q24を相補的に駆動し、インバータ回路22に含まれる第1スイッチング素子Q11〜第4スイッチング素子Q14を全てオフ状態に制御する。制御部25は短絡用スイッチング素子Q1をオン状態に制御してリアクトルL1をバイパスさせてもよいし、短絡用スイッチング素子Q1をオフ状態に制御してリアクトルL1をフィルタとして使用してもよい。
When the AC power supplied from the
以上説明したように実施の形態2によれば、双方向の絶縁型昇圧コンバータにおいても、実施の形態1と同様の効果を奏する。なお実施の形態2では絶縁型双方向DC−ACコンバータの例を説明したが、絶縁型双方向DC−DCコンバータであってもよい。この場合、図4のDC−ACコンバータ26及び系統40が直流電源に置き換わる。車載用途では補機バッテリと走行用バッテリが双方向DC−DCコンバータを介して接続される場合があり、実施の形態2の変形例に係る絶縁型双方向DC−DCコンバータは例えば、当該用途に使用することができる。
As described above, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained even in the bidirectional insulated boost converter. In the second embodiment, an example of an insulated bidirectional DC-AC converter has been described. However, an insulated bidirectional DC-DC converter may be used. In this case, the DC-
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. The embodiments are exemplifications, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. .
上述の実施の形態1、2では短絡スイッチ21として、第5整流ダイオードD1と短絡用スイッチング素子Q1の直列回路を使用する例を説明した。この点、他の構成も可能である。
In the first and second embodiments, the example in which the series circuit of the fifth rectifier diode D1 and the short-circuit switching element Q1 is used as the short-
図5は、短絡スイッチ21の変形例1を示す図である。変形例1は短絡スイッチ21として、逆阻止IGBT(Q1a)を使用する例である。逆阻止IGBT(Q1a)のエミッタ端子がリアクトルL1の入力端子に接続され、コレクタ端子がリアクトルL1の出力端子に接続される。逆阻止IGBT(Q1a)は、逆耐圧保護用の逆阻止直列ダイオードを接続しなくても、逆バイアス電圧に対して十分な耐圧性能を有する素子である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a first modification of the short-
図6は、短絡スイッチ21の変形例2を示す図である。変形例2では短絡スイッチ21としてリレーRYを使用する例である。スナバ回路にアクティブクランプ回路を使用する場合、RCDスナバ回路を使用した場合のようにリアクトルL1の入力端子側に、抵抗R1を介して放電電流が流入しないため逆阻止型スイッチではなく、リレーRYのような双方向スイッチを使用しても、リアクトルL1の還流電流が影響を受けることはない。
FIG. 6 is a diagram illustrating a second modification of the short-
上述の実施の形態1、2ではインバータ回路22としてフルブリッジ回路を使用する例を説明したがプッシュプル回路を使用してもよい。
In the first and second embodiments described above, the example in which the full bridge circuit is used as the
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。 The embodiment may be specified by the following items.
[項目1]
直流電源(10)に接続されたリアクトル(L1)と、
前記リアクトル(L1)を介して入力される直流電圧を昇圧しつつ交流電圧に変換する第1インバータ回路(22)と、
一次側に設けられた前記第1インバータ回路(22)の出力電力を二次側に伝達するトランス(T)と、
前記トランス(T)の二次側に設けられ、前記第1インバータ回路から出力される交流電力を直流電力に変換する第2インバータ回路(23a)と、
前記リアクトル(L1)の両端を短絡させるための短絡スイッチ(21)と、
を備えることを特徴とする電力変換装置(20)。
これによれば、絶縁型昇圧コンバータにおいて、短絡スイッチ(21)を追加することにより、サージ電圧からの素子保護と起動時の突入電流の抑制に寄与する回路構成を実現できる。
[項目2]
前記第1インバータ回路(22)は、第1スイッチング素子(Q11)と第2スイッチング素子(Q12)が直列に接続された第1レグと、第3スイッチング素子(Q13)と第4スイッチング素子(Q14)が直列に接続された第2レグとが並列に接続されるフルブリッジ回路を含み、
前記電力変換装置(20)は、
前記第1スイッチング素子(Q11)および前記第4スイッチング素子(Q14)と、前記第2スイッチング素子(Q12)および前記第3スイッチング素子(Q13)とを相補的に駆動する制御部(25)をさらに備え、
前記制御部(25)は、前記第1インバータ回路(22)を動作させる際、前記第1スイッチング素子(Q11)〜前記第4スイッチング素子(Q14)を全てオン状態に制御して前記リアクトル(L1)にエネルギーを蓄える期間を設けることを特徴とする項目1に記載の電力変換装置(20)。
これによれば、リアクトル(L1)とフルブリッジ回路により昇圧しつつ直流電圧を交流電圧に変換してトランス(T)の一次巻線に供給することができる。
[項目3]
前記第2インバータ回路(23a)から出力される直流電力を交流電力に変換して交流電源(40)または交流負荷に供給する、または交流電源(40)から供給される交流電力を直流電力に変換して前記第2インバータ回路(23a)に供給するDC−ACコンバータをさらに備え、
前記制御部(25)は、前記DC−ACコンバータ(26)のの交流側から見える負荷が所定値を下回ると、前記第1スイッチング素子(Q11)〜前記第4スイッチング素子(Q14)を全てオフ状態に制御し、前記短絡スイッチ(21)をオン状態に制御することを特徴とする項目2に記載の電力変換装置(20)。
無負荷または軽負荷時にリアクトル(L1)の両端を短絡させることにより、無負荷または軽負荷に遷移する際に発生するサージ電圧から第1スイッチング素子(Q11)〜第4スイッチング素子(Q14)を保護することができる。
[項目4]
前記第2インバータ回路(23a)の直流側に並列に設けられるコンデンサ(C3)をさらに備え、
前記制御部(25)は、前記電力変換装置(20)の起動時において、前記短絡スイッチ(21)をオン状態に制御し、前記コンデンサ(C3)の電圧が設定値を超えると前記短絡スイッチ(21)をオフ状態に制御することを特徴とする項目2または3に記載の電力変換装置(20)。
起動時に短絡スイッチ(21)をオン状態に制御することにより、リアクトル(L1)を無効化することができ、ソフトスタートを実現することができる。
[項目5]
前記制御部(25)は、前記電力変換装置(20)の起動時において、前記コンデンサ(C3)の電圧上昇に応じて、前記第1スイッチング素子(Q11)〜前記第4スイッチング素子(Q14)のデューティ比を上げることを特徴とする項目4に記載の電力変換装置(20)。
これによれば、コンデンサ(C3)をプリチャージするためのプリチャージ回路を別途に設けなくても、ソフトスタートを実現することができる。
[項目6]
前記短絡スイッチ(21)は、前記リアクトル(L1)の前記直流電源(10)側の端子から前記第1インバータ回路(22)側の端子への電流を阻止し、前記第1インバータ回路(22)側の端子から前記直流電源(10)側の端子への電流を駆動信号に応じて導通または非導通する逆阻止型スイッチであることを特徴とする項目1から5のいずれかに記載の電力変換装置(20)。
これによれば、リアクトル(L1)に残留する直流電流が閉ループを、阻害されることなく還流することができる。
[Item 1]
A reactor (L1) connected to a DC power source (10);
A first inverter circuit (22) that converts a DC voltage input through the reactor (L1) into an AC voltage while boosting the DC voltage;
A transformer (T) for transmitting output power of the first inverter circuit (22) provided on the primary side to the secondary side;
A second inverter circuit (23a) that is provided on the secondary side of the transformer (T) and converts AC power output from the first inverter circuit into DC power;
A short-circuit switch (21) for short-circuiting both ends of the reactor (L1);
The power converter device (20) characterized by comprising.
According to this, by adding the short-circuit switch (21) in the isolated boost converter, it is possible to realize a circuit configuration that contributes to element protection from surge voltage and suppression of inrush current at startup.
[Item 2]
The first inverter circuit (22) includes a first leg in which a first switching element (Q11) and a second switching element (Q12) are connected in series, a third switching element (Q13), and a fourth switching element (Q14). ) Includes a full bridge circuit connected in parallel with a second leg connected in series,
The power converter (20)
A controller (25) for driving the first switching element (Q11) and the fourth switching element (Q14) and the second switching element (Q12) and the third switching element (Q13) in a complementary manner; Prepared,
When the first inverter circuit (22) is operated, the control unit (25) controls all of the first switching element (Q11) to the fourth switching element (Q14) to be in an on state so that the reactor (L1 The power converter device (20) according to
According to this, a DC voltage can be converted into an AC voltage while being boosted by the reactor (L1) and the full bridge circuit, and supplied to the primary winding of the transformer (T).
[Item 3]
The DC power output from the second inverter circuit (23a) is converted into AC power and supplied to the AC power supply (40) or the AC load, or the AC power supplied from the AC power supply (40) is converted into DC power. And a DC-AC converter that supplies the second inverter circuit (23a),
The controller (25) turns off the first switching element (Q11) to the fourth switching element (Q14) when the load seen from the AC side of the DC-AC converter (26) falls below a predetermined value. The power conversion device (20) according to item 2, wherein the power conversion device (20) is controlled to a state, and the short-circuit switch (21) is controlled to an on state.
By short-circuiting both ends of the reactor (L1) at the time of no load or light load, the first switching element (Q11) to the fourth switching element (Q14) are protected from a surge voltage generated when transitioning to no load or light load. can do.
[Item 4]
A capacitor (C3) provided in parallel on the DC side of the second inverter circuit (23a);
The control unit (25) controls the short-circuit switch (21) to be in an ON state when the power conversion device (20) is activated, and when the voltage of the capacitor (C3) exceeds a set value, the short-circuit switch (21) 21. The power conversion device (20) according to item 2 or 3, wherein 21) is controlled to an off state.
By controlling the short-circuit switch (21) to be in an on state at the time of startup, the reactor (L1) can be invalidated and soft start can be realized.
[Item 5]
When the power converter (20) is started, the control unit (25) is configured to switch the first switching element (Q11) to the fourth switching element (Q14) according to the voltage increase of the capacitor (C3). Item 5. The power conversion device (20) according to item 4, wherein the duty ratio is increased.
According to this, soft start can be realized without separately providing a precharge circuit for precharging the capacitor (C3).
[Item 6]
The short-circuit switch (21) blocks current from the terminal on the DC power supply (10) side of the reactor (L1) to the terminal on the first inverter circuit (22) side, and the first inverter circuit (22) The power conversion according to any one of
According to this, the direct current remaining in the reactor (L1) can recirculate the closed loop without being inhibited.
10 直流電源、 20 電力変換装置、 L1 リアクトル、 C1 第1平滑コンデンサ、 21 短絡スイッチ、 D1 第5整流ダイオード、 Q1 短絡用スイッチング素子、 D2 第1内蔵ダイオード、 R1 抵抗、 D3 スナバダイオード、 C2 スナバコンデンサ、 22 インバータ回路、 Q11 第1スイッチング素子、 Q12 第2スイッチング素子、 Q13 第3スイッチング素子、 Q14 第4スイッチング素子、 D11 第1還流ダイオード、 D12 第2還流ダイオード、 D13 第3還流ダイオード、 D14 第4還流ダイオード、 LL 漏れインダクタンス、 T 高周波トランス、 23 整流回路、 D15 第1整流ダイオード、 D16 第2整流ダイオード、 D17 第3整流ダイオード、 D18 第4整流ダイオード、 C3 第2平滑コンデンサ、 24 電圧検出部、 25 制御部、 30 直流負荷、 Q2 クランプ用スイッチング素子、 D4 第2内蔵ダイオード、 23a インバータ回路、 Q21 第5スイッチング素子、 Q22 第6スイッチング素子、 Q23 第7スイッチング素子、 Q24 第8スイッチング素子、 D21 第5還流ダイオード、 D22 第6還流ダイオード、 D23 第7還流ダイオード、 D24 第8還流ダイオード、 26 DC−ACコンバータ、 40 系統。
10 DC power supply, 20 power converter, L1 reactor, C1 first smoothing capacitor, 21 short-circuit switch, D1 fifth rectifier diode, Q1 short-circuit switching element, D2 first built-in diode, R1 resistor, D3 snubber diode,
Claims (6)
前記リアクトルを介して入力される直流電圧を昇圧しつつ交流電圧に変換する第1インバータ回路と、
一次側に設けられた前記第1インバータ回路の出力電力を二次側に伝達するトランスと、
前記トランスの二次側に設けられ、前記第1インバータ回路から出力される交流電力を直流電力に変換する第2インバータ回路と、
前記リアクトルの両端を短絡させるための短絡スイッチと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A reactor connected to a DC power supply;
A first inverter circuit that converts a DC voltage input through the reactor to an AC voltage while boosting the DC voltage;
A transformer for transmitting output power of the first inverter circuit provided on the primary side to the secondary side;
A second inverter circuit which is provided on the secondary side of the transformer and converts AC power output from the first inverter circuit into DC power;
A short-circuit switch for short-circuiting both ends of the reactor;
A power conversion device comprising:
前記電力変換装置は、
前記第1スイッチング素子および前記第4スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子とを相補的に駆動する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記第1インバータ回路を動作させる際、前記第1スイッチング素子〜前記第4スイッチング素子を全てオン状態に制御して前記リアクトルにエネルギーを蓄える期間を設けることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 In the first inverter circuit, a first leg in which a first switching element and a second switching element are connected in series, and a second leg in which a third switching element and a fourth switching element are connected in series are connected in parallel. Including a full-bridge circuit
The power converter is
A controller that complementarily drives the first switching element and the fourth switching element, and the second switching element and the third switching element;
The control unit, when operating the first inverter circuit, provides a period for storing energy in the reactor by controlling all of the first to fourth switching elements to an on state. The power converter according to 1.
前記制御部は、前記DC−ACコンバータの交流側から見える負荷が所定値を下回ると、前記第1スイッチング素子〜前記第4スイッチング素子を全てオフ状態に制御し、前記短絡スイッチをオン状態に制御することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 DC power output from the second inverter circuit is converted into AC power and supplied to an AC power supply or an AC load, or AC power supplied from an AC power supply is converted into DC power and supplied to the second inverter circuit A DC-AC converter that
The control unit controls all of the first switching element to the fourth switching element to be in an OFF state and controls the short-circuit switch to be in an ON state when a load visible from the AC side of the DC-AC converter is lower than a predetermined value. The power conversion device according to claim 2, wherein:
前記制御部は、前記電力変換装置の起動時において、前記短絡スイッチをオン状態に制御し、前記コンデンサの電圧が設定値を超えると前記短絡スイッチをオフ状態に制御することを特徴とする請求項2または3に記載の電力変換装置。 A capacitor provided in parallel on the DC side of the second inverter circuit;
The control unit controls the short-circuit switch to an on state when the power converter is activated, and controls the short-circuit switch to an off state when a voltage of the capacitor exceeds a set value. The power converter according to 2 or 3.
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